近日读到一篇分析原子内部结构文章,它从原子中巨大的空间说起,谈到质子、中子,又谈到夸克和玻色子,最后谈到弦,得出的结论是原子中本来空空如也,并且咱们整个世界都是由一维的“弦”及能量构成,给人一种世界虚无的玄幻印象。

今天我们也来解剖原子,看看世界到底是物质的呢,还是虚幻的?

(温馨提醒:本文约3400字,读完大约需要5分钟时间。你可以选择看大标题、粗体要点和文末结论部分来了解。)

原子很空

前几天在写一篇关于原子的文章时,我用了下面这张图来形容原子内部的空间:

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(1)

如果将原子比作体育场,原子核与电子的位置

当我们将一个原子放大到体育场的大小,电子会处在看台的位置,这时候原子核在哪里?图片中黄色箭头指向草坪,原子核有草坪那么大吗?并不是,原子核太小了,在体育场里它只有绿豆那么大,所以我们没办法在图中把它标出来。我们能在看台上找到电子吗?很难,电子比座椅上的灰尘还小!

由此可见,原子内部真的很空。

实际上,构成世间万物的原子的直径大约在10⁻¹⁰m的数量级,比如说我们最常见的碳原子直径为182pm(皮米,1皮米相当于1米的一万亿分之一),也就是1.82×10⁻¹⁰m,一个C-12原子的质量仅为1.993×10⁻²⁶kg。

原子的质量主要集中在它的原子核,准确地说是集中在其质子和中子。所以我们通常将原子画成这个样子以突出原子核:

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(2)

通常所见的原子模型

在日常所见的原子模型中,原子核是颗大大的球,它很突出地居于原子中间,电子围绕在它的周围运转,就像行星绕着太阳运行一样。

类似的图都是错误的。如果你在任何一张A4纸上画原子,原子核都几乎小到看不见,而电子更是无处寻找。原子核的体积仅为原子体积的千亿分之一,也就是说在原子中除原子核外有99.99%以上是空的,但就是这极小的原子核,却集中了原子99.96%的质量。

原子是有质量的。尽管小,尽管很空,但原子并不是虚无。

原子的“壳”

原子核与电子之间看似有巨大的空间,这空间里有什么?

原子核中至少有一个质子,除氢的同位素氕外,其它的元素原子核还会有中子。中子对外显示电中性,质子带正电荷,所以原子核整体带正电。

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(3)

氘原子结构

带正电的原子核周围存在强大的电场,电子也有自己的电场,带负电荷的电子围绕原子核运动,原子核与电子之间主要是静电力的相互作用。

电子很轻,质量仅为9.11×10⁻³¹kg,它在原子这样的极小尺度里以接近光速运行,所以从外部看,电子是随机出现在原子外围,它并不会像行星围绕恒星那样以圆周轨道或椭圆轨道运动,它的轨迹更像是一团云雾,因此被称为电子云

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(4)

氢原子的电子云像一团浓雾,它表示电子会随机出现在各个位置

我们并不实际了解电子的运动轨迹,但科学家通过实验证明了围绕原子核运行的电子有它们各自的轨道,并且这些轨道呈现一定的规律性。

不要以为原子核与电子轨道之间很空,你就可以随便进入,事实上当电子占满了它们的轨道之后,就在原子的外围构建起了一层或几层无形的“壳”,除了不带电的中子和中微子外,这个壳层(又称“能层”)是谢绝其它物质入内的。

这就是为什么原子看起来很空,但它又十分坚硬的原因。致密的原子核拥有强大的电场,它吸引电子在其周围建立起一层无形的硬壳,除非把它投入到恒星中央或核聚变反应堆中,否则我们无法穿透原子的壳层。

致密的原子核

原子核以千亿分之一的体积占据了原子99.96%的质量,它是致密的,原子核的密度大约为10¹⁷kg/m³。如果你在1立方厘米小手指尖大小的空间里装满原子核,它的重量将达到1亿吨!

除氕外,其它元素的原子核都由质子和中子组成。

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(5)

原子核构成示意图

原子核中质子的数量被称为原子序数,它决定原子是什么;中子是原子核的“稳定剂”。当原子序数小于20时,原子核里质子与中子的数量基本相等,无论中子多了或少了,原子核都不稳定,它有放射性,会通过衰变和释放能量来使自己达到稳定的状态。但是当原子核里的质子数量大于20个时,它就需要更多的中子来帮助稳定。

原子核里并不空,质子之间以及质子与中子之间被强力紧紧地拉在一起。质子的静止质量是1.6726231(10)×10⁻²⁷kg,是电子质量的1836倍;中子跟质子差不多大,它的静止质量为1.6749286(10)×10⁻²⁷kg,约是电子质量的1838倍。我们不能单纯把质子与中子的质量简单相加来得到原子核的质量,事实上原子核的质量要小一些,这是因为一部分的质量被转化为核子之间的结合能量了。

原子的核力

前面的章节提到,质子是带正电荷的,它有电场,两个质子之间因为电荷相同会相互排斥,为什么在原子核里它们可以紧密地“粘”在一起?

这是因为核力在起作用。

两个质子之间,或者说两个原子核之间因为具有相同的电荷而互相排斥,这个排斥的力是静电力。静电力很强大,它使质子拥有自己的势力范围,我们称之为库仑势垒。如果想把两个质子捏合在一起,就需要非常大的力来克服这个库仑势垒

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(6)

两个原子核之间因静电力互相排斥

可是一旦两个质子接近到2.5fm(飞米,1飞米等于一千分之一皮米)时,核力就起作用了,它会迅速将质子拉到一起,同时向外释放巨大的能量,这个聚变能量是由质子的质量转化的。核力是强力,它比静电力强137倍,可以确保原子核保持稳定,不会散开。

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(7)

将两个质子压在一起会发生核聚变

量子理论认为原子核内部的结合力是核力,核力是一种强相互作用力,它是由介子提供的,介子是一种夸克组合。

质子与中子由夸克构成

科学家们通过强大的粒子对撞机撞击微观粒子后证实,质子与中子还是可以再分割的,它们由一种叫“夸克”的微观粒子组成。

与电子一样,夸克是更小的基本粒子,同时,夸克也是有质量的。科学家们目前共找到6种不同“味道”的夸克,它们分别是 它们是上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)和底(b)夸克。每一种味的夸克质量各不相同,其中上夸克质量约在1.7 - 3.3( MeV/c²)间,它带 2⁄3电荷;下夸克的质量为4.1 - 5.8( MeV/c²),它带-1⁄3电荷。

通常两个上夸克与一个下夸克结合成一个质子,而一个上夸克与两个下夸克组合会产生一个中子,质子与中子又称为重子。质子与中子的电性质是由夸克的电性质决定的,从夸克的角度看,中子并不是不带电,它只是对外显示电中性。

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(8)

两个上夸克与一个下夸克组成了质子

夸克之间并不相互吸引,将夸克拉在一起结合成质子或中子的是另一种基本粒子“胶子”,胶子没有质量,但它负责在夸克之间传递强力,从而将夸克拉在一起。量子物理学认为夸克不能单独存在(夸克禁闭),所以胶子尽管跟光子一样没有质量,它也无法达到光速,因为它必须与夸克共存。

而通过强力将质子、中子拉在一起形成原子核的介子,它是由一对正反夸克组成的。

夸克还能不能再分?

没有实验可以证明夸克还可以分成更小的粒子,但科学家们认为夸克应该是分层的,这决定了夸克拥有不同的“味”、不同的“色”以及不同的质量。或许未来的某一天我们可以确定夸克可以被分得更小,这不仅需要理论支持,还需要科学实验的结果来加以证实。

到目前为止科学家们证实能找到的基本粒子包括:

6种夸克:上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)和底(b)夸克;

6种轻子:电子、 μ子、 τ子、电子中微子、 μ子中微子和 τ子中微子;

四种规范波色子:光子、胶子、w和z玻色子

和被称作“上帝粒子”的希格斯玻色子

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(9)

已经确认的基本粒子图表

总结:

一、我们了解了原子内部的结构,原子核与核外电子都是有质量的实体粒子,尽管很“空”,但强大的静电场决定了原子内部巨大的空间是“不可侵犯”的。

二、原子核内的强相互作用力会将质子与中子拉在一起,要做到这一点并不容易,你需要付出极大能量去克服静电力造成的库仑势垒;而一旦两个质子足够接近时将引发核聚变,原子核的改变会伴随强大能量的释放。

三、质子与中子都由更小的基本粒子夸克结合而成,夸克由胶子传递的强力结合在一起;同样,原子核内部核子之间则是由一对正反夸克组成的介子传递的强力“粘合”在一起。

四、原子并不是虚空,组成原子的几乎所有的基本粒子都已经被证明了具有体积和质量,原子是质量与能量的结合体。最近的科学检测结果表明,此前一直被定义为“质量严格为0”的光子也具有质量,光子的静止质量小于1.2×10^(-51)g。这证明构成宏观宇宙的一切物质都是真实存在的三维物体,而不是由一维“弦的振动”或能量构成的虚幻世界。

五、科学需要推理与想象,科学同时需要现实可验证,单凭计算、推理与想象并不能被称为科学。到目前为止,所有的“弦理论”、“十维时空”、“膜结构”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量构成”等等都仅是数学上的推理,没有任何一项实验或观察可以证明它们真实存在。

原子内部图像(原子内部果真是虚空)(10)

有人称“弦理论”可以解释一切,遗憾的是它从来没有得到过证明

因此,无论从经典物理学还是量子物理、无论对微观粒子的研究还是对宏观世界观察,都证明我们生活的这个宇宙都是物质的、四维的和真实的。

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